Ciclo de Stirling
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El ciclo de Stirling es un ciclo termodinámico que describe la clase general de dispositivos Stirling. Esto incluye el motor Stirling original que fue inventado, desarrollado y patentado en 1816 por Robert Stirling con la ayuda de su hermano, un ingeniero . [1]
Los ciclos ideales de Otto y Diesel no son totalmente reversibles porque implican la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita durante los procesos irreversibles de adición y rechazo de calor isocorico / isobárico . La irreversibilidad hace que la eficiencia térmica de estos ciclos sea menor que la de un motor Carnot operando dentro de los mismos límites de temperatura. Otro ciclo que presenta procesos isotérmicos de adición y rechazo de calor es el ciclo de Stirling, que es una versión alterada del ciclo de Carnot en el que los dos procesos isentrópicos que aparecen en el ciclo de Carnot son reemplazados por dos procesos de regeneración de volumen constante.
El ciclo es reversible, lo que significa que si se alimenta con energía mecánica, puede funcionar como bomba de calor para calentar o enfriar , e incluso para enfriar criogénicamente . El ciclo se define como un ciclo regenerativo cerrado con un fluido de trabajo gaseoso . "Ciclo cerrado" significa que el fluido de trabajo está contenido permanentemente dentro del sistema termodinámico . Esto también clasifica el dispositivo del motor como un motor térmico externo . "Regenerativo" se refiere al uso de un intercambiador de calor interno llamado regenerador que aumenta la eficiencia térmica del dispositivo .
El ciclo es el mismo que la mayoría de los otros ciclos de calor en que hay cuatro procesos principales: compresión, adición de calor, expansión y eliminación de calor. Sin embargo, estos procesos no son discretos, sino que las transiciones se superponen.
El ciclo de Stirling es un tema muy avanzado que ha desafiado el análisis de muchos expertos durante más de 190 años. Se requiere termodinámica muy avanzada para describir el ciclo. El profesor Israel Urieli escribe: "... los diversos ciclos 'ideales' (como el ciclo de Schmidt) no son físicamente realizables ni representativos del ciclo de Stirling". [2]
Jakob considera que el problema analítico del regenerador (el intercambiador de calor central en el ciclo de Stirling) se encuentra "entre los más difíciles y complicados que se encuentran en la ingeniería". [3] [4]
Termodinámica idealizada del ciclo de Stirling
El ciclo idealizado de Stirling [5] consta de cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo (ver diagrama a la derecha):
- 1-2 Adición de calor isotérmico (expansión).
- 2-3 Eliminación de calor isocórico (volumen constante).
- 3-4 Eliminación de calor isotérmico (compresión).
- 4-1 Adición de calor isocórico (volumen constante).
Variaciones del movimiento del pistón
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La mayoría de los libros de texto de termodinámica describen una forma muy simplificada de ciclo de Stirling que consta de cuatro procesos. Esto se conoce como un "ciclo ideal de Stirling", porque es un modelo "idealizado" y no necesariamente un ciclo optimizado. En teoría, el "ciclo ideal" tiene un alto rendimiento neto de trabajo, pero rara vez se usa en aplicaciones prácticas, en parte porque otros ciclos son más simples o reducen las tensiones máximas en los rodamientos y otros componentes. Por conveniencia, el diseñador puede optar por utilizar movimientos de pistón dictados por la dinámica del sistema, como los mecanismos de conexión mecánica. En cualquier caso, la eficiencia y la potencia del cicloson casi tan buenos como una implementación real del caso idealizado. Una manivela o varillaje de pistón típico en un diseño así llamado "cinemático" a menudo da como resultado un movimiento del pistón casi sinusoidal. Algunos diseños harán que el pistón "permanezca" en cualquier extremo del recorrido.
Muchos enlaces cinemáticos, como el conocido " yugo de Ross ", exhibirán un movimiento casi sinusoidal. Sin embargo, otros enlaces, como el " impulso rómbico ", exhibirán un movimiento más no sinusoidal. En menor medida, el ciclo ideal introduce complicaciones, ya que requeriría una aceleración del pistón algo más alta y pérdidas de bombeo viscosas más altas del fluido de trabajo. Las tensiones del material y las pérdidas de bombeo en un motor optimizado, sin embargo, solo serían intolerables cuando se acerque al "ciclo ideal" y / o con velocidades de ciclo altas. Otros problemas incluyen el tiempo requerido para la transferencia de calor, particularmente para los procesos isotérmicos . En un motor con un ciclo que se aproxima al "ciclo ideal", es posible que deba reducirse la frecuencia del ciclo para abordar estos problemas.
En el modelo más básico de un dispositivo de pistón libre, la cinemática dará como resultado un movimiento armónico simple .
Variaciones de volumen
En los motores beta y gamma, generalmente la diferencia del ángulo de fase entre los movimientos del pistón no es la misma que el ángulo de fase de las variaciones de volumen. Sin embargo, en el Alfa Stirling, son iguales. [6] El resto del artículo asume variaciones de volumen sinusoidales, como en un Stirling alfa con pistones colineales, llamado así un dispositivo alfa de "pistón opuesto".
advertencia: Entre las muchas inexactitudes en este artículo, se hace referencia a una configuración alfa colineal, arriba. Tal configuración sería beta. Alternativamente, sería un alfa, que tiene un sistema de enlace inaceptablemente ineficiente.
Gráfico de presión versus volumen
Este tipo de gráfico se utiliza para caracterizar casi todos los ciclos termodinámicos. El resultado de las variaciones de volumen sinusoidal es el ciclo de forma cuasi-elíptica que se muestra en la Figura 1. Comparado con el ciclo idealizado, este ciclo es una representación más realista de la mayoría de los motores Stirling reales. Los cuatro puntos del gráfico indican el ángulo del cigüeñal en grados . [7]
El ciclo de Stirling adiabático es similar al ciclo de Stirling idealizado ; sin embargo, los cuatro procesos termodinámicos son ligeramente diferentes (ver gráfico arriba):
- 180 ° a 270 °, expansión pseudoisotermal . El espacio de expansión se calienta externamente y el gas experimenta una expansión casi isotérmica.
- Eliminación de calor de 270 ° a 0 °, volumen casi constante (o casi isométrico o isocórico ). El gas pasa a través del regenerador , enfriando así el gas y transfiriendo calor al regenerador para su uso en el siguiente ciclo.
- 0 ° a 90 °, compresión pseudoisotérmica . El espacio de compresión está intercooler , por lo que el gas sufre una compresión casi isotérmica.
- Adición de calor de 90 ° a 180 °, volumen casi constante (casi isométrico o isocórico ). El aire comprimido fluye de regreso a través del regenerador y recoge calor en el camino hacia el espacio de expansión calentado.
Con la excepción de un motor termoacústico Stirling , ninguna de las partículas de gas fluye realmente a través del ciclo completo. Por tanto, este enfoque no es susceptible de un análisis más detallado del ciclo. Sin embargo, proporciona una descripción general e indica el ciclo de trabajo.
Movimiento de partículas / masa
La Figura 2 muestra las líneas que indican cómo fluye el gas a través de un motor Stirling real. Las líneas verticales de colores delimitan los volúmenes del motor. De izquierda a derecha, son: el volumen barrido por el pistón de expansión (potencia), el volumen de espacio libre (que evita que el pistón entre en contacto con el intercambiador de calor caliente), el calentador, el regenerador, el enfriador, el volumen de espacio libre del enfriador y el volumen de compresión barrido por el pistón de compresión.
Stirling tipo alfa. Versión animada. |
Caída de presión del intercambiador de calor
También denominadas "pérdidas por bombeo", las caídas de presión que se muestran en la Figura 3 son causadas por un flujo viscoso a través de los intercambiadores de calor. La línea roja representa el calentador, verde es el regenerador y azul es el enfriador. Para diseñar correctamente los intercambiadores de calor, se requiere una optimización multivariante para obtener suficiente transferencia de calor con pérdidas de flujo aceptables. [6] Las pérdidas de flujo que se muestran aquí son relativamente bajas y apenas son visibles en la siguiente imagen, que mostrará las variaciones generales de presión en el ciclo.
Presión versus ángulo del cigüeñal
La Figura 4 muestra los resultados de una "simulación adiabática" con intercambiadores de calor no ideales. Tenga en cuenta que la caída de presión en el regenerador es muy baja en comparación con la variación de presión general en el ciclo.
Temperatura versus ángulo del cigüeñal
La Figura 5 ilustra las propiedades adiabáticas de un intercambiador de calor real. Las líneas rectas representan las temperaturas de la parte sólida del intercambiador de calor y las curvas son las temperaturas de los gases de los espacios respectivos. Las fluctuaciones de temperatura del gas son causadas por los efectos de la compresión y expansión en el motor, junto con intercambiadores de calor no ideales que tienen una tasa limitada de transferencia de calor . Cuando la temperatura del gas se desvía por encima y por debajo de la temperatura del intercambiador de calor, provoca pérdidas termodinámicas conocidas como "pérdidas por transferencia de calor" o "pérdidas por histéresis". Sin embargo, los intercambiadores de calor aún funcionan lo suficientemente bien como para permitir que el ciclo real sea efectivo, incluso si la eficiencia térmica real del sistema general es solo aproximadamente la mitad del límite teórico .
Calor acumulado y energía de trabajo
La Figura 6 muestra un gráfico de los datos del motor Stirling de tipo alfa, donde 'Q' denota energía térmica y 'W' denota energía de trabajo. La línea de puntos azul muestra la salida de trabajo del espacio de compresión. A medida que la traza desciende, se trabaja en el gas a medida que se comprime. Durante el proceso de expansión del ciclo, se realiza algún trabajo enel pistón de compresión, reflejado por el movimiento ascendente de la traza. Al final del ciclo, este valor es negativo, lo que indica que el pistón de compresión requiere una entrada neta de trabajo. La línea sólida azul muestra el calor que sale del intercambiador de calor más frío. El calor del enfriador y el trabajo del pistón de compresión tienen la misma energía de ciclo. Esto es consistente con la transferencia de calor neta cero del regenerador (línea verde continua). Como era de esperar, tanto el calentador como el espacio de expansión tienen un flujo de energía positivo. La línea de puntos negra muestra la producción neta de trabajo del ciclo. En este rastro, el ciclo termina más alto de lo que comenzó, lo que indica que el motor térmico convierte la energía del calor en trabajo.
Ver también
- Ciclo de pseudo Stirling
- motor Stirling
- Motor Stirling de energía solar
- Generador de radioisótopos de Stirling
Referencias
- ^ Robert Sier (1999). Motores de aire caliente calórico y stirling. Vol.1, Una historia (1ª edición (revisada) ed.). LA Mair. ISBN 0-9526417-0-4.
- ^ Órgano, "El regenerador y el motor Stirling", p. xxii, Prólogo de Urieli
- ^ Órgano, "El regenerador y el motor Stirling", p. 7
- ^ Jakob, M. (1957) Heat Transfer II John Wiley, Nueva York, Estados Unidos y Chapman and Hall, Londres, Reino Unido
- ^ A. Ciclo termodinámico alternativo de Romanelli para la máquina Stirling , American Journal of Physics 85, 926 (2017)
- ^ a b Órgano, "El regenerador y el motor Stirling"
- ^ Israel Urieli (Dr. Iz), profesor asociado de ingeniería mecánica: análisis de la máquina de ciclo Stirling Archivado el 30 de junio de 2010 en la Wayback Machine.
enlaces externos
- Análisis de la máquina de ciclo Urieli Stirling
- Ciclo politrópico dentro del motor Stirling Ciclo del motor Stirling
- Ciclos termodinámicos
- Motores Stirling
